专利名称：一种太赫兹保偏光纤及其制作方法
技术领域：
本发明属于光电子材料技术领域，具体涉及太赫兹保偏光纤结构及其制作方法。
背景技术：
太赫兹保偏光纤的研究尚处于起步阶段，文献多为理论研究结果，实际制备的太赫兹保偏光纤很少。通常采用几何结构的不对称性引入双折射，模式双折射(相双折射)可达10_2数量级。已报道的太赫兹高双折射光纤主要为光子晶体光纤、多孔光纤和聚合物管光纤。传输损耗大是目前太赫兹保偏光纤的主要问题之一。在已报道的太赫兹高双折射光纤中，损耗通常为几十dB/m。这是因为绝大多数介质材料在太赫兹波段的吸收损耗较高。 干燥空气对太赫兹波几乎没有吸收，因此人们通过各种方法提高太赫兹波在空气中的传输能量比例，从而降低传输损耗。然而，不论是光子晶体光纤、多孔光纤还是聚合物管光纤，部分能量还是通过介质来传输。太赫兹高双折射光纤的另外一个问题是对波的束缚能力弱， 这不利于波的稳定传输。为了改善传输损耗大和束缚能力弱的问题，我们基于介质/金属空芯光纤结构研究高双折射太赫兹光纤。介质/金属空芯光纤是通过在基管内面镀金属膜和介质膜得到的。介质膜能增加内表面反射率，从而有效降低光纤损耗。由于内膜在太赫兹波段的高反射率，绝大部分能量(> 99%)被束缚在空气纤芯中传输。这一方面有效降低了传输损耗,另一方面使得光纤传输特性不易受到环境干扰。该光纤具有传输损耗小、柔韧性好、结构简单等优点，是一种有发展前景的太赫兹传输光纤。可用于传输光，以及制作各种光电子器件、 气体或者液体传感器等，广泛应用在医疗、科研、工业等领域。
发明内容
本发明的目的在于提出一种低损耗、高双折射的太赫兹保偏光纤优化结构及其制作方法。I、低损耗、高双折射太赫兹光纤的结构参数的确定
本发明提出的太赫兹保偏光纤，为介质/金属空芯光纤，通过在基管内壁镀金属膜和介质膜得到。本发明通过引入椭圆横截面获得模式双折射。其结构如图I所示。其中a为椭圆截面长轴半径4为椭圆截面短轴半径，为介质膜厚度，S为金属膜厚度。优化设计主要从损耗和模式双折射两个方面考虑。模式双折射表示为'B:\neff-Iieffy |，其中neffx、 neffy分别表偏振和偏振的有效折射率。图2为模式双折射和椭圆度(a/ΖΟ的关系曲线，图3为损耗和椭圆度的关系曲线。 考虑三种短轴半径300 μπκ 400 μπι、500 μ m。图2中三条曲线均在a/6 =3附近得到双折射最大值。结合图3，随着椭圆度的增加，损耗先是迅速降低，然后平缓下降。在椭圆度大于3的区域，损耗的变化并不是很明显。结合这两个图，我们可以得到，对于双折射和损耗，椭圆度在3左右是比较理想的选择。在实际操作时，可取较优的椭圆度为2 4，更优选
2.5 3. 5。
接着分析光纤孔径和双折射、损耗的关系。图4为双折射和归一化孔径( 的关系曲线，λ为传输波长。计算中取传输波长为300 μ m。可见，归一化孔径越
大，双折射越小。图中离散的点是计算结果，实线对应表达式:沒=O. 16 (#/J)_3，点和
实线吻合得很好。我们考虑了不同波长的情况，如图4中插图所示，当归一化孔径一定，双折射是恒定值。图5是损耗和归一化孔径的关系曲线。归一化孔径越大，损耗越小。然而当归一化孔径一定，双折射和波长有关，波长越小，损耗越小。结合这两个图，我们可以得到
两个结论①双折射和损耗都和成正比。从这个角度，在选择光纤孔径尺寸的时
候，要权衡损耗和双折射这两个因素在长波长，更容易获得低损耗、高双折射光纤。根据以上分析，在实际制备中，根据目标双折射和传输损耗选择长轴和短轴之比为2 4，并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸。理论上，该结构光纤在I THz (300 μ m)处可获得3X 10_2的模式双折射和2. 4 dB/m的吸收损耗。2、本发明的低损耗、高双折射太赫兹光纤的制作方法，具体步骤如下
(1)确定光纤孔径参数根据目标双折射和传输损耗选择长轴和短轴之比在2 4之间， 优选2. 5 3. 5 ;并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸；
(2)加热并径向挤压圆形树脂毛细管，获得椭圆毛细管；
(3)活化处理，使用O.Γ1 %质量分数的SnCl2水溶液处理空芯光纤毛细管内壁表面， 时间8 15s，通过这一步骤可以加快银膜沉积的速度，并减少银膜表面的粗糙度；
(4)液相镀银,使用液相镀膜法,利用银镜反应的原理在空芯光纤毛细管内壁表面镀一层银膜(Ag)。渡膜装置如图6所示；
(5)液相镀介质膜，利用蠕动泵使树脂溶液以一定速度流过镀银光纤，残留的液相膜被干燥后形成光滑的光学薄膜。渡膜装置如图7所示。
图I :光纤截面示意图。图2 :模式双折射和椭圆度的关系。图3 :损耗和捕圆度的关系。图4 :模式双折射和归一化孔径的关系。图5 :损耗和归一化孔径的关系。图6 :银镜反应装置图。图7:液相镀膜装置图。图中标号I为空芯光纤毛细管(树脂管)，2为银氨溶液瓶，3为葡萄糖溶液瓶，4为废液瓶，5为真空泵，6为树脂溶液瓶，7为内壁表面镀有银膜的空芯光纤毛细管，8为蠕动泵；9为基管，10为金属膜，11为介质膜，12为空气。
具体实施例方式下面通过实施例进一步描述本发明。目标波长为300μπι。光纤拟达到的目标参数为模式双折射为2Χ10_2，损耗为2-5 dB/m。首先，根据设定的光纤结构参数，制备椭圆基管。然后，使用质量浓度为O. 1%的 SnCl2A溶液活化空芯光纤基管管内壁表面，通过这一步骤可以加快下一步银膜沉积的速度，并减少银膜表面的粗糙度；然后，使用液相镀膜法，利用银镜反应的原理在基管内壁镀一层银膜；最后，以环己烷为树脂颗粒的溶剂，获得一定浓度的树脂溶液。利用蠕动泵使树脂溶液以一定速度流过镀银光纤，残留的液相膜被干燥后形成光滑的光学薄膜。通过调节树脂溶液浓度、溶液流速，得到不同厚度的介质内膜。具体的操作步骤及参数
1、确定光纤结构参数根据目标参数，选定长轴和短轴之比为3。由目标双折射2X10_2 以及关系式沒=O. 16 ()Λ计算得到a=l mm、b=346 μπι。此时,理论损耗为2.1 dB/m ；
2、加热并径向挤压内径圆形PC基管,获得内半径为360μ mX I. Imm的椭圆基管；
3、利用附图6所示装置，将图中的AgNO3溶液和葡萄糖溶液用SnCl2溶液(浓度为O.1% 质量分数)替代，用真空泵均匀、快速地抽取溶液约10-13S，使其通过空芯光纤毛细管(树脂管)。通过这一步骤可以加快银膜沉积的速度，并减少银膜表面的粗糙度；
4、利用附图6所示装置，使用液相镀膜法，利用银镜反应的原理在空芯光纤毛细管(树脂管)内壁镀一层银膜。此步骤属于本领域的常规的工艺步骤，在此不赘述；
5、将镀好银膜的空芯光纤毛细管用氮气吹干，利用附图7所示装置，用蠕动泵抽取COP 溶液，COP溶液浓度、流速和温度可以根据实际实验条件和目标波长调节。
权利要求
1.一种太赫兹保偏光纤，其特征在于为介质/金属空芯光纤，通过在基管内壁镀金属膜和介质膜得到，其横截面为椭圆，根据目标双折射和传输损耗，椭圆的长轴和短轴之比为 2 4，并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸。
2.一种如权利要求I所述的太赫兹保偏光纤的制作方法，其特征在于具体步骤如下(1)确定光纤孔径参数根据目标双折射和传输损耗，选择长轴和短轴之比在2 4之间，并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸；(2)加热并径向挤压圆形树脂毛细管，获得椭圆毛细管；(3)活化处理，使用O.Γ1 %质量分数的SnCl2水溶液处理空芯光纤毛细管内壁表面， 时间8 15s ;(4)液相镀银,使用液相镀膜法,利用银镜反应的原理在空芯光纤毛细管内壁表面镀一层银膜；(5)液相镀介质膜，利用蠕动泵使树脂溶液流过镀银光纤，残留的液相膜被干燥后形成光滑的光学薄膜。
全文摘要
本发明属于光电子材料技术领域，具体涉为一种太赫兹保偏光纤及其制作方法。本发明的太赫兹保偏光纤为介质/金属空芯光纤，通过在基管内壁镀金属膜和介质膜得到，其横截面为椭圆，根据目标双折射和传输损耗，椭圆的长轴和短轴之比为2～4，并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸。该结构光纤在1THz(300μm)处可获得3×10-2的模式双折射和2.4dB/m的吸收损耗。
文档编号G02B6/024GK102608695SQ201210098829
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者孙帮山, 汤晓黎, 石艺尉 申请人:复旦大学